ขอบคุณที่เข้าชม nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้ใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเว็บไซต์นี้จะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เว็บไซต์นี้จะไม่มีสไตล์หรือ JavaScript
การเคลื่อนไหวของอวัยวะและเนื้อเยื่ออาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่งของรังสีเอกซ์ระหว่างการรักษาด้วยรังสี ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาเทียบเท่ากับเนื้อเยื่อเพื่อจำลองการเคลื่อนไหวของอวัยวะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการรักษาด้วยรังสี อย่างไรก็ตาม การพัฒนาวัสดุดังกล่าวเป็นเรื่องท้าทาย ไฮโดรเจลอัลจิเนตมีคุณสมบัติคล้ายกับเมทริกซ์นอกเซลล์ ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพเทียบเท่ากับเนื้อเยื่อ ในการศึกษาครั้งนี้ ได้สังเคราะห์โฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่ต้องการโดยการปลดปล่อย Ca2+ ในแหล่งกำเนิด อัตราส่วนอากาศต่อปริมาตรได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้โฟมไฮโดรเจลที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่กำหนดไว้ ลักษณะทางมหภาคและจุลภาคของวัสดุได้รับการตรวจสอบ และพฤติกรรมของโฟมไฮโดรเจลภายใต้การบีบอัด คุณสมบัติทางรังสีวิทยาได้รับการประเมินทางทฤษฎีและตรวจสอบโดยการทดลองโดยใช้เอกซเรย์คอมพิวเตอร์ การศึกษาครั้งนี้ชี้ให้เห็นถึงการพัฒนาวัสดุเทียบเท่ากับเนื้อเยื่อในอนาคต ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของปริมาณรังสีและการควบคุมคุณภาพระหว่างการรักษาด้วยรังสี
การฉายรังสีเป็นวิธีการรักษาโรคมะเร็งที่ใช้กันทั่วไป¹ การเคลื่อนไหวของอวัยวะและเนื้อเยื่อมักนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่งของรังสีเอกซ์ระหว่างการฉายรังสี² ซึ่งอาจส่งผลให้การรักษาเนื้องอกไม่เพียงพอและการได้รับรังสีมากเกินไปในเซลล์ปกติรอบข้างโดยไม่จำเป็น ความสามารถในการทำนายการเคลื่อนไหวของอวัยวะและเนื้อเยื่อมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการลดข้อผิดพลาดในการระบุตำแหน่งของเนื้องอก การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่ปอด เนื่องจากปอดมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและการเคลื่อนไหวอย่างมากเมื่อผู้ป่วยหายใจระหว่างการฉายรังสี มีการพัฒนาและประยุกต์ใช้แบบจำลองไฟไนต์เอเลเมนต์ต่างๆ เพื่อจำลองการเคลื่อนไหวของปอดมนุษย์^3,4,5 อย่างไรก็ตาม อวัยวะและเนื้อเยื่อของมนุษย์มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและขึ้นอยู่กับผู้ป่วยแต่ละรายเป็นอย่างมาก ดังนั้น วัสดุที่มีคุณสมบัติเทียบเท่าเนื้อเยื่อจึงมีประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาแบบจำลองทางกายภาพเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองทางทฤษฎี อำนวยความสะดวกในการรักษาทางการแพทย์ที่ดีขึ้น และเพื่อวัตถุประสงค์ทางการศึกษาทางการแพทย์
การพัฒนาวัสดุเลียนแบบเนื้อเยื่ออ่อนเพื่อให้ได้รูปทรงโครงสร้างภายนอกและภายในที่ซับซ้อนได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันทางกลโดยธรรมชาติอาจนำไปสู่ความล้มเหลวในการใช้งานเป้าหมาย6,7 การจำลองกลไกทางชีวภาพที่ซับซ้อนของเนื้อเยื่อปอด ซึ่งรวมเอาความอ่อนนุ่ม ความยืดหยุ่น และความพรุนของโครงสร้างเข้าไว้ด้วยกัน ถือเป็นความท้าทายอย่างมากในการพัฒนาแบบจำลองที่จำลองปอดของมนุษย์ได้อย่างแม่นยำ การบูรณาการและการจับคู่คุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพการทำงานของแบบจำลองปอดในการรักษา การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ได้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการพัฒนาแบบจำลองเฉพาะบุคคล ทำให้สามารถสร้างต้นแบบการออกแบบที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็ว Shin et al. 8 ได้พัฒนาแบบจำลองปอดที่สามารถเปลี่ยนรูปได้และทำซ้ำได้โดยใช้ทางเดินหายใจที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Haselaar et al. 9 ได้พัฒนาแบบจำลองที่คล้ายคลึงกับผู้ป่วยจริงอย่างมากสำหรับการประเมินคุณภาพของภาพและวิธีการตรวจสอบตำแหน่งสำหรับการรักษาด้วยรังสี Hong et al10 ได้พัฒนาแบบจำลอง CT ทรวงอกโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและการหล่อซิลิโคนเพื่อจำลองความเข้มของ CT ของรอยโรคในปอดต่างๆ เพื่อประเมินความแม่นยำของการวัดปริมาณ อย่างไรก็ตาม ต้นแบบเหล่านี้มักทำจากวัสดุที่มีคุณสมบัติที่มีประสิทธิภาพแตกต่างจากเนื้อเยื่อปอดมาก11
ปัจจุบัน แบบจำลองปอดส่วนใหญ่ทำจากซิลิโคนหรือโฟมโพลียูรีเทน ซึ่งไม่ตรงกับคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาของเนื้อเยื่อปอดจริง^12,13 ไฮโดรเจลอัลจิเนตมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมเนื้อเยื่อเนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่ปรับแต่งได้¹⁴ อย่างไรก็ตาม การสร้างแบบจำลองปอดที่มีความนุ่มเป็นพิเศษและมีลักษณะคล้ายโฟมซึ่งเลียนแบบความยืดหยุ่นและโครงสร้างการเติมเต็มของเนื้อเยื่อปอดได้อย่างแม่นยำนั้นยังคงเป็นความท้าทายในการทดลอง
ในการศึกษานี้ ถือว่าเนื้อเยื่อปอดเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสม่ำเสมอ ความหนาแน่นของเนื้อเยื่อปอดมนุษย์ (\(\:\rho\:\)) มีรายงานว่าอยู่ที่ 1.06 g/cm3 และความหนาแน่นของปอดที่พองตัวอยู่ที่ 0.26 g/cm315 ค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus, YM) ของเนื้อเยื่อปอดที่ได้จากการทดลองด้วยวิธีต่างๆ มีความหลากหลายมาก Lai-Fook et al. 16 วัดค่า YM ของปอดมนุษย์ที่พองตัวอย่างสม่ำเสมอได้ค่า 0.42–6.72 kPa Goss et al. 17 ใช้การตรวจวัดความยืดหยุ่นด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและรายงานค่า YM ที่ 2.17 kPa Liu et al. 18 รายงานค่า YM ที่วัดได้โดยตรงที่ 0.03–57.2 kPa Ilegbusi et al. งานวิจัยหมายเลข 19 ประเมินค่า YM ไว้ที่ 0.1–2.7 kPa โดยอิงจากข้อมูล CT 4 มิติที่ได้จากผู้ป่วยที่ได้รับการคัดเลือก
สำหรับคุณสมบัติทางรังสีวิทยาของปอด มีพารามิเตอร์หลายตัวที่ใช้อธิบายพฤติกรรมการโต้ตอบของเนื้อเยื่อปอดกับรังสีเอกซ์ ซึ่งรวมถึงองค์ประกอบทางเคมี ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน (\(\:{\rho\:}_{e}\)) เลขอะตอมประสิทธิผล (\(\:{Z}_{eff}\)) พลังงานกระตุ้นเฉลี่ย (\(\:I\)) สัมประสิทธิ์การลดทอนมวล (\(\:\mu\:/\rho\:\)) และหน่วยฮาวน์สฟิลด์ (HU) ซึ่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับ \(\:\mu\:/\rho\:\)
ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน \(\:{\rho\:}_{e}\) ถูกกำหนดให้เป็นจำนวนอิเล็กตรอนต่อหน่วยปริมาตร และคำนวณได้ดังนี้:
โดยที่ \(\:\rho\:\) คือความหนาแน่นของวัสดุในหน่วย g/cm3, \(\:{N}_{A}\) คือค่าคงที่ของอะโวกาโด, \(\:{w}_{i}\) คือเศษส่วนมวล, \(\:{Z}_{i}\) คือเลขอะตอม และ \(\:{A}_{i}\) คือน้ำหนักอะตอมของธาตุที่ i
เลขอะตอมมีความสัมพันธ์โดยตรงกับลักษณะของการปฏิสัมพันธ์ของรังสีภายในวัสดุ สำหรับสารประกอบและส่วนผสมที่มีธาตุหลายชนิด (เช่น ผ้า) จะต้องคำนวณเลขอะตอมประสิทธิผล \(\:{Z}_{eff}\) สูตรนี้เสนอโดย Murthy et al. 20:
พลังงานกระตุ้นเฉลี่ย \(\:I\) อธิบายถึงความง่ายในการดูดซับพลังงานจลน์ของอนุภาคที่ทะลุผ่านวัสดุเป้าหมาย โดยอธิบายเฉพาะคุณสมบัติของวัสดุเป้าหมายเท่านั้น และไม่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของอนุภาค สามารถคำนวณ \(\:I\) ได้โดยใช้กฎการบวกของแบร็กก์:
ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนมวล \(\:\mu\:/\rho\:\) อธิบายถึงการทะลุทะลวงและการปลดปล่อยพลังงานของโฟตอนในวัสดุเป้าหมาย สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ \(\:x\) คือความหนาของวัสดุ, \(\:{I}_{0}\) คือความเข้มของแสงตกกระทบ และ \(\:I\) คือความเข้มของโฟตอนหลังจากทะลุผ่านวัสดุแล้ว ค่า \(\:\mu\:/\rho\:\) สามารถหาได้โดยตรงจากฐานข้อมูลอ้างอิงมาตรฐาน NIST 12621 ค่า \(\:\mu\:/\rho\:\) สำหรับสารผสมและสารประกอบสามารถหาได้โดยใช้กฎการบวกดังนี้:
HU เป็นหน่วยวัดความหนาแน่นของรังสีแบบไร้มิติที่เป็นมาตรฐานในการตีความข้อมูลจากการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) ซึ่งได้มาจากการแปลงเชิงเส้นจากค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนที่วัดได้ \(\:\mu\:\). โดยมีนิยามดังนี้:
โดยที่ \(\:{\mu\:}_{water}\) คือสัมประสิทธิ์การลดทอนของน้ำ และ \(\:{\mu\:}_{air}\) คือสัมประสิทธิ์การลดทอนของอากาศ ดังนั้น จากสูตร (6) เราจะเห็นว่าค่า HU ของน้ำคือ 0 และค่า HU ของอากาศคือ -1000 ค่า HU สำหรับปอดของมนุษย์มีช่วงตั้งแต่ -600 ถึง -70022
มีการพัฒนาวัสดุเทียบเท่าเนื้อเยื่อหลายชนิด Griffith และคณะ 23 ได้พัฒนาแบบจำลองเทียบเท่าเนื้อเยื่อของลำตัวมนุษย์ที่ทำจากโพลียูรีเทน (PU) โดยเติมแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ในความเข้มข้นต่างๆ เพื่อจำลองค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนเชิงเส้นของอวัยวะต่างๆ ของมนุษย์ รวมถึงปอด และแบบจำลองนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า Griffith Taylor24 ได้นำเสนอแบบจำลองเทียบเท่าเนื้อเยื่อปอดแบบที่สองที่พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ (LLNL) ซึ่งตั้งชื่อว่า LLLL1 Traub และคณะ 25 ได้พัฒนาวัสดุทดแทนเนื้อเยื่อปอดแบบใหม่โดยใช้ Foamex XRS-272 ที่มี CaCO3 5.25% เป็นสารเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งได้รับการตั้งชื่อว่า ALT2 ตารางที่ 1 และ 2 แสดงการเปรียบเทียบค่า \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) และสัมประสิทธิ์การลดทอนมวลสำหรับปอดมนุษย์ (ICRU-44) และแบบจำลองเนื้อเยื่อเทียบเท่าข้างต้น
แม้ว่าวัสดุจำลองปอดที่ได้จะมีคุณสมบัติทางรังสีวิทยาที่ดีเยี่ยม แต่เกือบทั้งหมดทำจากโฟมโพลีสไตรีน ซึ่งหมายความว่าคุณสมบัติทางกลของวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถเทียบได้กับปอดของมนุษย์ ค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus, YM) ของโฟมโพลียูรีเทนอยู่ที่ประมาณ 500 กิโลปาสคาล ซึ่งห่างไกลจากค่าที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับปอดของมนุษย์ปกติ (ประมาณ 5-10 กิโลปาสคาล) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพัฒนาวัสดุใหม่ที่สามารถตรงตามคุณลักษณะทางกลและทางรังสีวิทยาของปอดมนุษย์จริงได้
ไฮโดรเจลถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ โครงสร้างและคุณสมบัติของมันคล้ายคลึงกับเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) และสามารถปรับเปลี่ยนได้ง่าย ในการศึกษาครั้งนี้ เราเลือกใช้โซเดียมอัลจิเนตบริสุทธิ์เป็นวัสดุชีวภาพสำหรับการเตรียมโฟม ไฮโดรเจลอัลจิเนตมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมเนื้อเยื่อเนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่ปรับเปลี่ยนได้ องค์ประกอบทางเคมีของโซเดียมอัลจิเนต (C6H7NaO6)n และการมีอยู่ของ Ca2+ ช่วยให้สามารถปรับคุณสมบัติทางรังสีวิทยาได้ตามต้องการ การผสมผสานคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่ปรับเปลี่ยนได้นี้ทำให้ไฮโดรเจลอัลจิเนตเหมาะสำหรับการศึกษาของเรา แน่นอนว่าไฮโดรเจลอัลจิเนตก็มีข้อจำกัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของความเสถียรในระยะยาวระหว่างวงจรการหายใจจำลอง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติมและคาดว่าจะมีการศึกษาเพิ่มเติมในอนาคตเพื่อแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้
ในงานวิจัยนี้ เราได้พัฒนาวัสดุโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีค่า rho ความยืดหยุ่น และคุณสมบัติทางรังสีวิทยาที่ควบคุมได้ ซึ่งคล้ายคลึงกับเนื้อเยื่อปอดของมนุษย์ งานวิจัยนี้จะนำเสนอแนวทางแก้ไขทั่วไปสำหรับการสร้างแบบจำลองเนื้อเยื่อเทียมที่มีคุณสมบัติความยืดหยุ่นและคุณสมบัติทางรังสีวิทยาที่ปรับแต่งได้ คุณสมบัติของวัสดุสามารถปรับแต่งให้เข้ากับเนื้อเยื่อและอวัยวะของมนุษย์ได้อย่างง่ายดาย
อัตราส่วนปริมาตรอากาศต่อปริมาตรของโฟมไฮโดรเจลที่ต้องการคำนวณจากช่วงค่า HU ของปอดมนุษย์ (-600 ถึง -700) โดยสมมติว่าโฟมเป็นส่วนผสมอย่างง่ายของอากาศและไฮโดรเจลอัลจิเนตสังเคราะห์ โดยใช้กฎการบวกอย่างง่ายขององค์ประกอบแต่ละตัว \(\:\mu\:/\rho\:\) สามารถคำนวณเศษส่วนปริมาตรของอากาศและอัตราส่วนปริมาตรของไฮโดรเจลอัลจิเนตสังเคราะห์ได้
โฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตถูกเตรียมโดยใช้โซเดียมอัลจิเนต (หมายเลขชิ้นส่วน W201502), แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) (หมายเลขชิ้นส่วน 795445, น้ำหนักโมเลกุล: 100.09) และไกลแคนไดล์ (GDL) (หมายเลขชิ้นส่วน G4750, น้ำหนักโมเลกุล: 178.14) ที่ซื้อจากบริษัท Sigma-Aldrich, St. Louis, MO โซเดียมลอริลอีเทอร์ซัลเฟต 70% (SLES 70) ซื้อจาก Renowned Trading LLC ใช้น้ำปราศจากไอออนในกระบวนการเตรียมโฟม ละลายโซเดียมอัลจิเนตในน้ำปราศจากไอออนที่อุณหภูมิห้องพร้อมคนอย่างต่อเนื่อง (600 รอบต่อนาที) จนได้สารละลายสีเหลืองใสที่เป็นเนื้อเดียวกัน ใช้ CaCO3 ร่วมกับ GDL เป็นแหล่ง Ca2+ เพื่อเริ่มต้นการเกิดเจล และใช้ SLES 70 เป็นสารลดแรงตึงผิวเพื่อสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนภายในไฮโดรเจล ความเข้มข้นของอัลจิเนตถูกควบคุมไว้ที่ 5% และอัตราส่วนโมลาร์ Ca2+:-COOH ถูกควบคุมไว้ที่ 0.18 อัตราส่วนโมลาร์ CaCO3:GDL ก็ถูกควบคุมไว้ที่ 0.5 ในระหว่างการเตรียมโฟมเพื่อรักษาระดับ pH ให้เป็นกลาง ค่าที่ได้คือ 26 มีการเติม SLES 70 ปริมาตร 2% ลงในตัวอย่างทั้งหมด ใช้บีกเกอร์ที่มีฝาปิดเพื่อควบคุมอัตราส่วนการผสมของสารละลายและอากาศ ปริมาตรทั้งหมดของบีกเกอร์คือ 140 มล. จากการคำนวณทางทฤษฎี ปริมาตรของส่วนผสมที่แตกต่างกัน (50 มล., 100 มล., 110 มล.) ถูกเติมลงในบีกเกอร์เพื่อผสมกับอากาศ ตัวอย่างที่มีส่วนผสม 50 มล. ถูกออกแบบมาเพื่อให้ผสมกับอากาศอย่างเพียงพอ ในขณะที่อัตราส่วนปริมาตรของอากาศในอีกสองตัวอย่างถูกควบคุม ขั้นตอนแรก เติม SLES 70 ลงในสารละลายอัลจิเนตและคนด้วยเครื่องคนไฟฟ้าจนเข้ากันอย่างสมบูรณ์ จากนั้น เติมสารแขวนลอย CaCO3 ลงในส่วนผสมและคนอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งส่วนผสมเข้ากันอย่างสมบูรณ์และเปลี่ยนเป็นสีขาว สุดท้าย เติมสารละลาย GDL ลงในส่วนผสมเพื่อเริ่มกระบวนการเกิดเจล และทำการคนด้วยเครื่องจักรตลอดกระบวนการ สำหรับตัวอย่างที่มีส่วนผสม 50 มล. จะหยุดการคนด้วยเครื่องจักรเมื่อปริมาตรของส่วนผสมหยุดเปลี่ยนแปลง สำหรับตัวอย่างที่มีส่วนผสม 100 มล. และ 110 มล. จะหยุดการคนด้วยเครื่องจักรเมื่อส่วนผสมเต็มบีกเกอร์ นอกจากนี้ เรายังพยายามเตรียมโฟมไฮโดรเจลที่มีปริมาตรระหว่าง 50 มล. ถึง 100 มล. อย่างไรก็ตาม พบว่าโครงสร้างของโฟมไม่เสถียร เนื่องจากผันผวนระหว่างสภาวะการผสมอากาศอย่างสมบูรณ์และสภาวะการควบคุมปริมาตรอากาศ ส่งผลให้การควบคุมปริมาตรไม่สม่ำเสมอ ความไม่เสถียรนี้ทำให้เกิดความไม่แน่นอนในการคำนวณ ดังนั้นช่วงปริมาตรนี้จึงไม่ได้รวมอยู่ในงานวิจัยนี้
ความหนาแน่น \(\:\rho\:\) ของโฟมไฮโดรเจลคำนวณได้จากการวัดมวล \(\:m\) และปริมาตร \(\:V\) ของตัวอย่างโฟมไฮโดรเจล
ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของโฟมไฮโดรเจลได้มาจากการใช้กล้อง Zeiss Axio Observer A1 ซอฟต์แวร์ ImageJ ถูกใช้ในการคำนวณจำนวนและการกระจายขนาดของรูพรุนในตัวอย่างในบริเวณที่กำหนดโดยอาศัยภาพที่ได้ โดยสมมติว่ารูพรุนมีรูปร่างเป็นวงกลม
เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนต จึงได้ทำการทดสอบการอัดแบบแกนเดียวโดยใช้เครื่องทดสอบ TESTRESOURCES ซีรีส์ 100 ตัวอย่างถูกตัดเป็นบล็อกสี่เหลี่ยมผืนผ้า และวัดขนาดของบล็อกเพื่อคำนวณความเค้นและความเครียด ความเร็วของหัวกดถูกตั้งไว้ที่ 10 มม./นาที ทดสอบตัวอย่าง 3 ชิ้นสำหรับแต่ละตัวอย่าง และคำนวณค่าเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจากผลลัพธ์ การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติทางกลของการอัดของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนต เนื่องจากเนื้อเยื่อปอดได้รับแรงอัดในช่วงหนึ่งของวงจรการหายใจ ความยืดหยุ่นนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสะท้อนพฤติกรรมไดนามิกทั้งหมดของเนื้อเยื่อปอด และจะมีการศึกษาเพิ่มเติมในอนาคต
ตัวอย่างโฟมไฮโดรเจลที่เตรียมไว้ถูกสแกนด้วยเครื่องสแกน CT แบบสองช่องสัญญาณ Siemens SOMATOM Drive โดยตั้งค่าพารามิเตอร์การสแกนดังนี้: 40 mAs, 120 kVp และความหนาของภาพตัดขวาง 1 มม. ไฟล์ DICOM ที่ได้ถูกวิเคราะห์โดยใช้ซอฟต์แวร์ MicroDicom DICOM Viewer เพื่อวิเคราะห์ค่า HU ของภาพตัดขวาง 5 ภาพของแต่ละตัวอย่าง ค่า HU ที่ได้จาก CT ถูกนำมาเปรียบเทียบกับการคำนวณทางทฤษฎีโดยอิงจากข้อมูลความหนาแน่นของตัวอย่าง
จุดมุ่งหมายของการศึกษาครั้งนี้คือการปฏิวัติการสร้างแบบจำลองอวัยวะแต่ละส่วนและเนื้อเยื่อชีวภาพเทียมโดยการออกแบบวัสดุอ่อนนุ่ม การพัฒนาวัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่ตรงกับกลไกการทำงานของปอดมนุษย์มีความสำคัญต่อการใช้งานเฉพาะด้าน เช่น การปรับปรุงการฝึกอบรมทางการแพทย์ การวางแผนการผ่าตัด และการวางแผนการรักษาด้วยรังสี ในรูปที่ 1A เราได้แสดงความแตกต่างระหว่างคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาของวัสดุอ่อนนุ่มที่คาดว่าจะใช้ในการสร้างแบบจำลองปอดมนุษย์ ปัจจุบัน วัสดุที่พัฒนาขึ้นมานั้นมีคุณสมบัติทางรังสีวิทยาที่ต้องการ แต่คุณสมบัติทางกลของวัสดุเหล่านั้นยังไม่ตรงตามความต้องการ โฟมโพลียูรีเทนและยางเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการสร้างแบบจำลองปอดมนุษย์ที่สามารถเปลี่ยนรูปได้ คุณสมบัติทางกลของโฟมโพลียูรีเทน (โมดูลัสของยัง, YM) โดยทั่วไปจะมากกว่าเนื้อเยื่อปอดมนุษย์ปกติถึง 10 ถึง 100 เท่า วัสดุที่แสดงทั้งคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่ต้องการยังไม่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน
(A) แผนภาพแสดงคุณสมบัติของวัสดุอ่อนชนิดต่างๆ และเปรียบเทียบกับปอดมนุษย์ในแง่ของความหนาแน่น โมดูลัสของยัง และคุณสมบัติทางรังสีวิทยา (ในหน่วย HU) (B) รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีความเข้มข้น 5% และอัตราส่วนโมลาร์ Ca2+:-COOH เท่ากับ 0.18 (C) ช่วงของอัตราส่วนปริมาตรอากาศในโฟมไฮโดรเจล (D) แผนภาพแสดงโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน
คำนวณองค์ประกอบธาตุของไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีความเข้มข้น 5% และอัตราส่วนโมลาร์ Ca2+:-COOH เท่ากับ 0.18 และผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 3 ตามกฎการบวกในสูตรก่อนหน้า (5) ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนมวลของไฮโดรเจลอัลจิเนต \(\:\:\mu\:/\rho\:\) ได้รับดังแสดงในรูปที่ 1B
ค่า μ/ρ สำหรับอากาศและน้ำได้มาจากฐานข้อมูลอ้างอิงมาตรฐาน NIST 12612 โดยตรง ดังนั้น รูปที่ 1C แสดงอัตราส่วนปริมาตรอากาศที่คำนวณได้ในโฟมไฮโดรเจลที่มีค่าเทียบเท่า HU ระหว่าง -600 ถึง -700 สำหรับปอดมนุษย์ อัตราส่วนปริมาตรอากาศที่คำนวณทางทฤษฎีมีความเสถียรในช่วง 60–70% ในช่วงพลังงานตั้งแต่ 1 × 10⁻³ ถึง 2 × 10¹ MeV ซึ่งบ่งชี้ถึงศักยภาพที่ดีสำหรับการประยุกต์ใช้โฟมไฮโดรเจลในกระบวนการผลิตขั้นต่อไป
รูปที่ 1D แสดงตัวอย่างโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่เตรียมไว้ ตัวอย่างทั้งหมดถูกตัดเป็นลูกบาศก์ที่มีความยาวด้านละ 12.7 มม. ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าได้โฟมไฮโดรเจลที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีความเสถียรในสามมิติ ไม่ว่าอัตราส่วนปริมาตรอากาศจะเป็นเท่าใด ก็ไม่พบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในลักษณะของโฟมไฮโดรเจล ลักษณะการคงตัวด้วยตนเองของโฟมไฮโดรเจลบ่งชี้ว่าโครงข่ายที่เกิดขึ้นภายในไฮโดรเจลนั้นแข็งแรงพอที่จะรองรับน้ำหนักของโฟมได้ นอกจากน้ำที่รั่วซึมออกมาจากโฟมเพียงเล็กน้อยแล้ว โฟมยังแสดงให้เห็นถึงความเสถียรชั่วคราวเป็นเวลาหลายสัปดาห์
โดยการวัดมวลและปริมาตรของตัวอย่างโฟม ความหนาแน่นของโฟมไฮโดรเจลที่เตรียมไว้ \(\:\rho\:\) ถูกคำนวณ และผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 4 ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ของ \(\:\rho\:\) กับอัตราส่วนปริมาตรของอากาศ เมื่อผสมอากาศในปริมาณที่เพียงพอกับตัวอย่าง 50 มล. ความหนาแน่นจะต่ำที่สุดและอยู่ที่ 0.482 กรัม/ซม³ เมื่อปริมาณอากาศที่ผสมลดลง ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นเป็น 0.685 กรัม/ซม³ ค่า p สูงสุดระหว่างกลุ่ม 50 มล. 100 มล. และ 110 มล. คือ 0.004 < 0.05 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงนัยสำคัญทางสถิติของผลลัพธ์
ค่า \(\:\rho\:\) ทางทฤษฎีคำนวณโดยใช้สัดส่วนปริมาตรอากาศที่ควบคุมไว้ ผลการวัดแสดงให้เห็นว่า \(\:\rho\:\) มีค่าต่ำกว่าค่าทางทฤษฎี 0.1 g/cm³ ความแตกต่างนี้สามารถอธิบายได้ด้วยความเครียดภายในที่เกิดขึ้นในไฮโดรเจลระหว่างกระบวนการเกิดเจล ซึ่งทำให้เกิดการบวมและนำไปสู่การลดลงของ \(\:\rho\:\) สิ่งนี้ได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดยการสังเกตช่องว่างบางส่วนภายในโฟมไฮโดรเจลในภาพ CT ที่แสดงในรูปที่ 2 (A, B และ C)
ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของโฟมไฮโดรเจลที่มีปริมาตรอากาศต่างกัน (A) 50, (B) 100 และ (C) 110 จำนวนเซลล์และการกระจายขนาดรูพรุนในตัวอย่างโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนต (D) 50, (E) 100, (F) 110
รูปที่ 3 (A, B, C) แสดงภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของตัวอย่างโฟมไฮโดรเจลที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นโครงสร้างทางแสงของโฟมไฮโดรเจล โดยแสดงภาพรูพรุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันอย่างชัดเจน การกระจายตัวของจำนวนและเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนคำนวณโดยใช้โปรแกรม ImageJ ถ่ายภาพ 6 ภาพสำหรับแต่ละตัวอย่าง แต่ละภาพมีขนาด 1125.27 μm × 843.96 μm และพื้นที่วิเคราะห์ทั้งหมดสำหรับแต่ละตัวอย่างคือ 5.7 mm²
(A) พฤติกรรมความเค้น-ความเครียดจากการอัดของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน (B) การปรับให้เข้ากับฟังก์ชันเอกซ์ponential (C) ค่าการอัด E0 ของโฟมไฮโดรเจลที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน (D) ความเค้นและความเครียดจากการอัดสูงสุดของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน
รูปที่ 3 (D, E, F) แสดงให้เห็นว่าการกระจายขนาดรูพรุนค่อนข้างสม่ำเสมอ โดยมีช่วงตั้งแต่หลายสิบไมโครเมตรถึงประมาณ 500 ไมโครเมตร ขนาดรูพรุนโดยพื้นฐานแล้วสม่ำเสมอ และลดลงเล็กน้อยเมื่อปริมาตรอากาศลดลง จากข้อมูลการทดสอบ ขนาดรูพรุนเฉลี่ยของตัวอย่าง 50 มล. คือ 192.16 ไมโครเมตร ค่ามัธยฐานคือ 184.51 ไมโครเมตร และจำนวนรูพรุนต่อหน่วยพื้นที่คือ 103; ขนาดรูพรุนเฉลี่ยของตัวอย่าง 100 มล. คือ 156.62 ไมโครเมตร ค่ามัธยฐานคือ 151.07 ไมโครเมตร และจำนวนรูพรุนต่อหน่วยพื้นที่คือ 109; ค่าที่สอดคล้องกันของตัวอย่าง 110 มล. คือ 163.07 ไมโครเมตร 150.29 ไมโครเมตร และ 115 ไมโครเมตร ตามลำดับ ข้อมูลแสดงให้เห็นว่ารูพรุนขนาดใหญ่มีอิทธิพลต่อผลทางสถิติของขนาดรูพรุนเฉลี่ยมากกว่า และขนาดรูพรุนมัธยฐานสามารถสะท้อนแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของขนาดรูพรุนได้ดีกว่า เมื่อปริมาตรของตัวอย่างเพิ่มขึ้นจาก 50 มล. เป็น 110 มล. จำนวนรูพรุนก็เพิ่มขึ้นด้วย เมื่อพิจารณาผลทางสถิติของขนาดรูพรุนมัธยฐานและจำนวนรูพรุนร่วมกัน สามารถสรุปได้ว่าเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น จะมีรูพรุนขนาดเล็กเกิดขึ้นภายในตัวอย่างมากขึ้น
ข้อมูลการทดสอบทางกลแสดงในรูปที่ 4A และ 4D รูปที่ 4A แสดงพฤติกรรมความเค้น-ความเครียดของการบีบอัดของโฟมไฮโดรเจลที่เตรียมไว้โดยมีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างทั้งหมดมีพฤติกรรมความเค้น-ความเครียดแบบไม่เชิงเส้นที่คล้ายคลึงกัน สำหรับแต่ละตัวอย่าง ความเค้นจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นเมื่อความเครียดเพิ่มขึ้น เส้นโค้งเอกซ์ponential ถูกนำมาใช้ในการปรับให้เข้ากับพฤติกรรมความเค้น-ความเครียดของการบีบอัดของโฟมไฮโดรเจล รูปที่ 4B แสดงผลลัพธ์หลังจากใช้ฟังก์ชันเอกซ์ponential เป็นแบบจำลองโดยประมาณกับโฟมไฮโดรเจล
สำหรับโฟมไฮโดรเจลที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกันนั้น ได้มีการศึกษาค่าโมดูลัสการบีอัด (E0) ด้วยเช่นกัน เช่นเดียวกับการวิเคราะห์ไฮโดรเจล ค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus) ในการบีอัดได้รับการตรวจสอบในช่วงความเครียดเริ่มต้น 20% ผลการทดสอบการบีอัดแสดงในรูปที่ 4C ผลลัพธ์ในรูปที่ 4C แสดงให้เห็นว่า เมื่ออัตราส่วนปริมาตรอากาศลดลงจากตัวอย่างที่ 50 ไปยังตัวอย่างที่ 110 ค่าโมดูลัสของยัง (E0) ในการบีอัดของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนตเพิ่มขึ้นจาก 10.86 kPa เป็น 18 kPa
ในทำนองเดียวกัน ได้มีการหาเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดที่สมบูรณ์ของโฟมไฮโดรเจล รวมถึงค่าความเค้นและความเครียดอัดสูงสุดด้วย รูปที่ 4D แสดงความเค้นและความเครียดอัดสูงสุดของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนต จุดข้อมูลแต่ละจุดเป็นค่าเฉลี่ยของผลการทดสอบสามครั้ง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความเค้นอัดสูงสุดเพิ่มขึ้นจาก 9.84 kPa เป็น 17.58 kPa เมื่อปริมาณก๊าซลดลง ความเครียดสูงสุดยังคงที่อยู่ที่ประมาณ 38%
รูปที่ 2 (A, B และ C) แสดงภาพ CT ของโฟมไฮโดรเจลที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกัน ซึ่งสอดคล้องกับตัวอย่างที่ 50, 100 และ 110 ตามลำดับ ภาพแสดงให้เห็นว่าโฟมไฮโดรเจลที่เกิดขึ้นนั้นเกือบจะเป็นเนื้อเดียวกัน พบช่องว่างเล็กน้อยในตัวอย่าง 100 และ 110 การเกิดช่องว่างเหล่านี้อาจเกิดจากความเครียดภายในที่เกิดขึ้นในไฮโดรเจลระหว่างกระบวนการเกิดเจล เราคำนวณค่า HU สำหรับหน้าตัด 5 ส่วนของแต่ละตัวอย่าง และแสดงไว้ในตารางที่ 5 พร้อมกับผลการคำนวณทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
ตารางที่ 5 แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกันได้ค่า HU ที่แตกต่างกัน ค่า p สูงสุดระหว่างกลุ่ม 50 มล. 100 มล. และ 110 มล. คือ 0.004 < 0.05 ซึ่งบ่งชี้ถึงนัยสำคัญทางสถิติของผลลัพธ์ ในบรรดาตัวอย่างทั้งสามที่ทดสอบ ตัวอย่างที่มีส่วนผสม 50 มล. มีคุณสมบัติทางรังสีวิทยาใกล้เคียงกับปอดของมนุษย์มากที่สุด คอลัมน์สุดท้ายของตารางที่ 5 คือผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณทางทฤษฎีโดยอิงจากค่าโฟมที่วัดได้ \(\:\rho\:\). เมื่อเปรียบเทียบข้อมูลที่วัดได้กับผลลัพธ์ทางทฤษฎี จะพบว่าค่า HU ที่ได้จากการสแกน CT โดยทั่วไปใกล้เคียงกับผลลัพธ์ทางทฤษฎี ซึ่งเป็นการยืนยันผลการคำนวณอัตราส่วนปริมาตรอากาศในรูปที่ 1C
วัตถุประสงค์หลักของการศึกษาครั้งนี้คือการสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาเทียบเท่ากับปอดของมนุษย์ วัตถุประสงค์นี้บรรลุได้โดยการพัฒนาวัสดุไฮโดรเจลที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาเทียบเท่าเนื้อเยื่อที่ใกล้เคียงกับปอดของมนุษย์มากที่สุด โดยอาศัยการคำนวณทางทฤษฎี ได้เตรียมโฟมไฮโดรเจลที่มีอัตราส่วนปริมาตรอากาศต่างกันโดยการผสมสารละลายโซเดียมอัลจิเนต, CaCO3, GDL และ SLES 70 เข้าด้วยกันทางกล การวิเคราะห์ทางสัณฐานวิทยาแสดงให้เห็นว่าได้เกิดโฟมไฮโดรเจลที่มีความเสถียรและเป็นเนื้อเดียวกันแบบสามมิติ โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนปริมาตรอากาศ ความหนาแน่นและความพรุนของโฟมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามต้องการ เมื่อปริมาณอากาศเพิ่มขึ้น ขนาดรูพรุนจะลดลงเล็กน้อยและจำนวนรูพรุนจะเพิ่มขึ้น ได้ทำการทดสอบการบีบอัดเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทางกลของโฟมไฮโดรเจลอัลจิเนต ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าค่าโมดูลัสการบีบอัด (E0) ที่ได้จากการทดสอบอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับปอดของมนุษย์ E0 จะเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราส่วนปริมาตรอากาศลดลง ค่าสมบัติทางรังสีวิทยา (HU) ของตัวอย่างที่เตรียมไว้ได้มาจากการวิเคราะห์ข้อมูล CT ของตัวอย่าง และนำมาเปรียบเทียบกับผลการคำนวณทางทฤษฎี ผลลัพธ์ที่ได้เป็นที่น่าพอใจ ค่าที่วัดได้ยังใกล้เคียงกับค่า HU ของปอดมนุษย์ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างโฟมไฮโดรเจลเลียนแบบเนื้อเยื่อที่มีคุณสมบัติทางกลและทางรังสีวิทยาที่เหมาะสม ซึ่งเลียนแบบคุณสมบัติของปอดมนุษย์ได้
แม้ว่าผลลัพธ์ที่ได้จะดูดี แต่จำเป็นต้องปรับปรุงวิธีการผลิตในปัจจุบันเพื่อให้สามารถควบคุมอัตราส่วนปริมาตรอากาศและความพรุนได้ดียิ่งขึ้น เพื่อให้ตรงกับการคาดการณ์จากการคำนวณทางทฤษฎีและปอดของมนุษย์จริง ทั้งในระดับโดยรวมและระดับเฉพาะที่ การศึกษาในปัจจุบันยังจำกัดอยู่เพียงการทดสอบกลไกการบีบอัด ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้แบบจำลองเฉพาะในระยะการบีบอัดของวงจรการหายใจ การวิจัยในอนาคตจะได้รับประโยชน์จากการตรวจสอบการทดสอบแรงดึง รวมถึงความเสถียรทางกลโดยรวมของวัสดุ เพื่อประเมินการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบไดนามิก ถึงแม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ การศึกษานี้ถือเป็นความพยายามครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จในการรวมคุณสมบัติทางรังสีวิทยาและทางกลเข้าไว้ในวัสดุเดียวที่เลียนแบบปอดของมนุษย์
ชุดข้อมูลที่สร้างขึ้นและ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาครั้งนี้ สามารถขอรับได้จากผู้เขียนที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการร้องขออย่างสมเหตุสมผล ทั้งการทดลองและชุดข้อมูลสามารถทำซ้ำได้
Song, G. และคณะ เทคโนโลยีนาโนใหม่และวัสดุขั้นสูงสำหรับการรักษาโรคมะเร็งด้วยรังสี Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017)
Kill, PJ และคณะ รายงานของคณะทำงาน AAPM 76a เกี่ยวกับการจัดการการเคลื่อนไหวของระบบหายใจในการรักษาด้วยรังสี Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006)
Al-Maya, A., Moseley, J. และ Brock, KK การสร้างแบบจำลองของอินเทอร์เฟซและความไม่เป็นเชิงเส้นของวัสดุในปอดมนุษย์ ฟิสิกส์ การแพทย์ และชีววิทยา 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008)
Wang, X. และคณะ แบบจำลองมะเร็งปอดคล้ายเนื้องอกที่สร้างขึ้นโดยการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ 3. เทคโนโลยีชีวภาพ 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018)
Lee, M. และคณะ การสร้างแบบจำลองการเสียรูปของปอด: วิธีการที่ผสมผสานเทคนิคการลงทะเบียนภาพที่ยืดหยุ่นได้และการประมาณค่าโมดูลัสของยังที่แปรผันตามตำแหน่ง Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013)
Guimarães, CF และคณะ ความแข็งของเนื้อเยื่อที่มีชีวิตและผลกระทบต่อวิศวกรรมเนื้อเยื่อ Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020)